机械手的概述.docx

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机械手的概述

第一章 机械手的概述

随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大，搬运机械手的应用也逐渐普及，主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，以降低其他搬运方式的限制和不足，满足现代经济发展的要求。

   本机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的液压钢来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的快进、慢进、快退、慢退的运动运动；其动作转换靠设置在各个不同部位的行程开关（SQ1---SQ9）产生的通断信号传输到PLC控制器，通过PLC内部程序输出不同的信号，从而驱动外部线圈来控制电动机或电磁阀产生不同的动作，可实现机械手的精确定位；其动作过程包括：

下降、夹紧、上升、慢进、快进、慢进、延时、下降、放松、上升、慢退、快退、慢退；其操作方式包括：

回原位、手动、单步、单周期、连续；来满足生产中的各种操作要求。

机械手就是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。

手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。

运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。

运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。

为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。

自由度是机 械手设计的关 键参数。

自由 度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。

一般专用机械手有2～3个自由度。

   机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。

有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

   将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及适于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型部件，即可组成各种不同用途的机械手。

既便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。

同时要提高精度，减少冲击，定位精确，以更好地发挥机械手的作用。

此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能地机械手，并考虑于计算机联用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

   在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。

目前主要用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可按照事先制定的作业程序完成规定的操作，但是还不具备任何传感反馈能力，不能应付外界的变化。

如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。

为此，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某些智能的机械手，使其拥有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，做出相应的变更。

如位置发生稍些偏差时，即能更正，并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。

   视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及卫星计算机。

工作时，电视照相机将物体形象变成视频信号，然后传送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和方位，并发出指令控制机械手进行工作。

   触觉功能即在机械手上安装有触觉反馈控制装置。

工作时机械手先伸出手指寻找工件，通过装在手指内的压力敏感元件产生触感作用，然后伸向前方，抓住工件。

   现今机械手的发展更主要的是将机械手和柔性制造系统以及柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

第二章 搬运机械手总体设计方案

    2.1搬运机械手结构及其动作

本机械手用于生产线上工件的自动搬运，根据对机械手的工艺过程及控制要求分析，机械手的动作过程如下：

机械手的周期动作

    2.2机械手的控制过程

   如图3—2所示由A、B两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作，A缸通过一个单电两位四通电磁换向阀控制工件的夹紧、放松，B缸通过一双电两位四通电磁阀控制机械手的升降；由小车实现机械手的移动。

该小车由两台电动机驱动，一台是高速，一台是慢速。

当小车前进时以慢—快—慢的形式进行，返回时按慢—快—慢的形式后退。

当工件从传送带传输到机械手下方时，工件碰压行程开关SQ1，B缸活塞杆伸出，带动机械手下降，下降至终点碰压行程开关SQ3与机械手夹钳相连的A缸活塞杆收进，机械手将工件夹紧；当工件夹紧到位时，行程开关SQ5动作，B缸的活塞杆收进，把工件提升；当工件提升到最高位置时碰压行程开关SQ4，启动小车慢速右行；当小车碰压行程开关SQ7时转为快速行走；接近终点时小车碰压行程开关SQ8，转为慢速行走；行至右端行程开关SQ9，小车停止前进；停留5秒后，B缸活塞杆再次外伸，机械手下降至终点，A缸活塞杆外伸带动夹钳松开，将工件放下；然后机械手上升，小车以慢—快—慢的形式沿原路返回，恢复到图示所示的原点位置。

    2.3机械手的控制要求

   为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。

分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：

单步、单周期、连续；手动操作包括手动和回原位的操作。

   手动操作：

供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。

例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以此类推。

   回原位：

当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到原点位置。

   单步运行：

供试用，即没按一次启动按钮机械手向前执行一个动作后停止。

   单周期运行：

供首次检验用，当机械手在原点时按下启动按钮，机械手自动执行一个周期后停止在原点位置

   连续运行：

正常使用，当机械手在原点并按下启动按钮时，机械手周而复始的执行各工步动作。

   该机械手在自动工作状态时，应先将其工作方式选择开关放在“返回原位”，并按下返回原位按钮，对状态器进行置位，然后再将工作方式选择开关放置自动工作方式下。

若自动工作状态解除，则硬件工作方式选择开关放置于“手从操作”位置。

第三章 搬运机械手硬件系统设计

   3.1硬件系统设计包括机械部分和电气控制部分的设计。

  结构图如下：

结构示意图

   图中设置9个行程开关SQ1—SQ9用于检测工件、小车、机械手的位置及机械手夹钳的夹紧、放松状态，并对系统实施控制。

其中SQ1为工件是否到位的检测开关；SQ2为小车原位检测开关；SQ3、SQ4分别为机械手下降上升是否到位检测开关；SQ5、SQ6分别为机械手夹紧放松检测开关；SQ7、SQ8分别为小车速度转换开关；SQ9为小车运动停止开关。

    3.2电气控制的设计

   包括主电路和控制电路的设计。

主电路由两台电动机，即慢速电机和快速电机，分别拖动小车慢行和快行，其控制如下：

慢速电动机M1由接触器KM1、KM2分别控制其正传和反转；快速电动机M2由接触器KM3和KM4分别控制其正传和反转。

机械手的夹紧放松动作是由一单电两位四通电磁阀控制的一个液压缸完成的，在通电情况下，机械手松开，得电时松开，可以防止在设备运行过程中突然断电导致的机械手松开，工件脱落的情况发生。

控制电路设计主要是PLC输入、输出接线的设计，其I/O分配如图3—5所示。

   电气接线图如下

PLCI/O接线控制图

第四章 搬运机械手的软件系统设计

   机械手动控制属顺序控制，故其手动程序采用普通的PLC控制指令控制，自动程序采用步进梯形指令控制

    4.1梯形图的总体设计

按照机械手控制和工艺流程的要求，在选择“手动方式”时应执行手动程序；在选择“回原位”时应执行回原位程序；在选择自动程序时应执行自动程序。

其中自动程序要在启动按钮按下时才执行。

故梯形图的总体构成如下图：

PLC控制图的主程序

     4.2各部分梯形图的设计

    1.通用部分梯形图设计

   通用部分梯形图分为三部分：

    1）. 状态器的初始化。

初始化状态器S600在手动方式下被置位、复位。

当方式选择开关置于“返回原位”（X514接通）时，按下复位按钮（X507）时被置位，在“手动操作”（X510）接通时，S600复位。

处于中间工步的状态器用手动做复位操作，即在方式选择开关位于“手动操作”或“返回原位”时，中间状态器同步复位。

故初始化梯形图如下图：

（如果状态器要在供电时从断电前条件开始继续工作，则不需要M71）。

 状态器初始化梯形图

    2）. 状态器转换启动。

若机械手工作在自动工作方式下，当初始状态器S600被置位后按下启动按钮，辅助继电器M575工作，状态器的状态可以一步一步的向下传递，即可进行转换。

在执行“连续程序” 时，转换启动继电器M575一直保持到停机按钮按下为止。

另一面采用M100检查机器是否处于原位。

当M575和M100都接通时，从初始状态器开始进行转换，故其梯形图如下图。

状态器转换启动梯形图

    3）. 状态器转换禁止梯形图。

激活特殊辅助继电器M574并用步进梯形指令控制状态器转换时，状态器的转换就被自动禁止。

   在“单周期”工作期间，按下停止按钮时，M574应被激励并自保持，操作停止在现行工步。

当按下停止按钮时，从现行工步重新开始工作，M574应复位，即重新允许新转换。

   在“步进”工作方式时，M574应始终工作，此时，禁止任何状态转换。

但没按下一次启动按钮时，M574断开一次，允许状态器转换一次。

   在“手动”工作方式时禁止进行状态转换。

在手动方式解除之后，按下启动按钮，则状态转换禁止解除，M574复位，。

    PLC在启动时，用初始化脉冲M71和M574自保持，以此禁止状态转换，直到按下启动按钮。

故状态器转换禁止梯形图如下图。

状态器转换禁止梯形图

   通过对3—7和3—8的分析可得出：

在执行“手动操作”和“返回原位”程序时，M575一直不能被接通，而M574长期被接通，（按下启动按钮时除外）；执行“步进”程序时没按一次启动按钮，M574断开一次，M575接通一次，状态器转换一次；在执行“单周期操作”程序时，按下启动按钮，M574断开，M575接通，状态器的转换可一步一步向下转换，直至按下停止按钮时，M574自锁，状态器的转换被禁止，操作停止在现行工序（再次按下启动按钮时从现行工序开始工作）；在执行“连续程序”时，M575一直接通到按下停止按钮，此时M574一直不能接通。

    2.手动操作梯形图

   手动操作方式由于不需要任何复杂的顺序控制，可以用常规继电器顺序方式来设计梯形图。

“手动操作时”按下放松按钮时，机械手卡抓松开，当松开放松按钮时，机械手卡爪在液压缸作用下自动加紧并保持；按下上升按钮，上升输出Y435保持接通；按下下降按钮，Y436保持接通；在上限位按下慢进按钮，慢进输出Y430接通，至行程开关SQ7闭合，小车停止；快进、快退、慢退情况同慢进。

   手动操作梯形图设置有互锁，只有在小车处于左限位（即X403闭合）或右限位（即X412闭合）时机械手的上升下降动作才能进行，只有当机械手处于下限位（即X404接通）机械手的加紧放松动作才可以手动控制；为了安全，同一个电动机的正反转线圈不能同时接通，设计中设计了自锁开关，防止线圈同时接通造成的短路。

故手动操作时梯形图如下图：

手动操作梯形图

     3.返回原位梯形图 在“返回原位”状态下，“夹紧”与“下降”动作应被停止，上限位未动作时，应进行“上升”；上限位动作时，“右行”动作应停止，并左行至左限位位置。

故返回原位梯形图如下图：

返回原位梯形图

  4.“自动”状态梯形图如下，表示机械手自动工作时执行各工步的情况，表示了各工步的实现和转换的条件。

在第一次下降工步中，下降电磁阀Y436接通。

自下限位置时，X404接通，转换为“夹持”过程；夹持电磁阀Y434复位，至加紧限位X406接通，转换为上升动作；当上限为开关SQ4闭合，X405接通，小车开始慢进动作。

快进、慢进、延时、下降、加紧、上升、慢退、快退、慢退动作依次类推，如上所述一步一步按顺序驱动各个负载动作，称为顺序控制或过程步进型控制。

搬运机械手自动工作流程图

用状态器代替自动工作流程图的各工步，可得到如下的功能表图：

搬运机械手自动工作功能表图

  根据上图的自动工作功能表图，可设计出自动操作时的梯形图如下：

搬运机械手自动工作梯形图 

第五章 总结 

     本人从两年前开始关注机器人行业，但是正式工作并非是机器人的研发，通过近两年的学习逐渐的摸着了点门道，希望和此行业的前辈们共同学习进步，上述的方案是通过网络上机械手的图片和某些商家网站上机械手功能的描述反推出来的，而PLC的控制本人比较拿手，随没有做实验但是根据本人从事自动化行业的经验应该没大问题，现在把想法写出来，不足之处还请前辈和高手们指导。

     我的邮箱：

ljtljd2008@；随时欢迎就机器人、工业自控行业的高手们交流心得。

  根据上图的自动工作功能表图，可设计出自动操作时的梯形图如下：

搬运机械手自动工作梯形图 

第五章 总结

     本人从两年前开始关注机器人行业，但是正式工作并非是机器人的研发，通过近两年的学习逐渐的摸着了点门道，希望和此行业的前辈们共同学习进步，上述的方案是通过网络上机械手的图片和某些商家网站上机械手功能的描述反推出来的，而PLC的控制本人比较拿手，随没有做实验但是根据本人从事自动化行业的经验应该没大问题，现在把想法写出来，不足之处还请前辈和高手们指导。